YURI GARCIA SILVA
CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL DE SISTEMAS DE VEÍCULOS AUTO-GUIADOS
FLORIANÓPOLIS 2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA DE AUTOMAÇÃO E SISTEMAS
CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL DE SISTEMAS DE VEÍCULOS AUTO-GUIADOS
Dissertação submetida à
Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia
de Automação e Sistemas.
Yuri Garcia Silva
CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL DE SISTEMAS DE VEÍCULOS AUTO-GUIADOS
Yuri Garcia Silva
‘Esta Dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Engenharia de Automação e Sistemas, Área de Concentração
em Controle, Automação e Sistemas, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e
Sis-temas da Universidade Federal de Santa Catarina.’ ______________________________________
Max Hering de Queiroz, Dr. Orientador
______________________________________ José Eduardo Ribeiro Cury, Dr.
Coordenador do Programa de Pós-graduação em Engenharia de Automação e Sistemas
Banca Examinadora:
______________________________________ Max Hering de Queiroz, Dr. – UFSC
Presidente
______________________________________ José Eduardo Ribeiro Cury, Dr. – UFSC
Co-orientador
______________________________________ André Bittencourt Leal, Dr. – UDESC
______________________________________ Jean-Marie Alexandre Farines, Dr. – UFSC ______________________________________
vii
AGRADECIMENTOS
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro.
Aos professores Max Hering de Queiroz e José Eduardo Ribeiro Cury que desempenharam um grande papel durante o decorrer deste trabalho. Aos colegas do LTIC pela agradável convivência.
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Resumo da Dissertação apresentada à UFSC como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Automação e Sistemas. CONTROLE SUPERVISÓRIO MODULAR LOCAL
DE SISTEMAS DE VEÍCULOS AUTO-GUIADOS Yuri Garcia Silva
Junho/2010 Orientador: Max Hering de Queiroz, Dr.
Co-orientador: José Eduardo Ribeiro Cury, Dr.
Área de Concentração: Controle, Automação e Sistemas.
Palavras-chave: controle supervisório; sistemas a eventos discretos; controle modular local; autômatos; sistemas de controle; veículos auto-guiados; AGV.
Número de páginas: xxii + 72.
Este trabalho apresenta a aplicação da abordagem modular local da teo-ria de controle supervisório no controle de um sistema de veículos auto-guiados. Nesta abordagem busca-se alcançar um conjunto de superviso-res não bloqueantes e minimamente superviso-restritivos que proíbem a ocorrência das seqüências de eventos indesejáveis no sistema. São discutidos os processos de síntese e implementação dos supervisores, os quais envol-vem soluções que visam gerenciar o tráfego dos veículos, gerenciar a bateria dos veículos e coordenar a interação entre os pontos de transfe-rências de materiais e os veículos. A solução de controle apresentada é feita para uma bancada experimental de um sistema com dois AGVs e duas estações de transferência de materiais, embora a solução possa ser generalizada para sistemas de maior porte. A etapa de implementação dos supervisores também é abrangida. O controle é implementado atra-vés de uma estrutura hierárquica de três níveis que objetiva manter as características propostas pela teoria de controle supervisório. Para avali-ar a correção do controlador, foi desenvolvido um ambiente gráfico de emulação que permite prever as respostas das ações de controle dos supervisores através de animações gráficas. Constatou-se pela emulação que a abordagem aplicada realiza o controle do sistema sem a ocorrência de bloqueios e mantém a flexibilidade operacional.
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Abstract of dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Automation and Control Engineering.
LOCAL MODULAR SUPERVISORY CONTROL OF AUTOMATED GUIDED VEHICLE SYSTEMS
Yuri Garcia Silva June /2010
Advisor: Max Hering de Queiroz, Dr.
Co-Advisor: José Eduardo Ribeiro Cury, Dr.
Area of Concentration: Control, Automation and Systems.
Keywords: supervisory control; discrete event systems; local modular control; automata; control systems; automated guided vehicles; AGV. Number of pages: xxii + 72.
This work presents the application of the local modular approach of the supervisory control theory to control an automated guided vehicle sys-tem. This approach seeks to achieve a set of nonblocking and minimally restrictive supervisors that forbid the occurrence of undesirable se-quences of events in the system. It is discussed the processes of synthe-sis and implementation of supervisors, which involve solutions that aim to manage the traffic of vehicles, to manage the vehicles battery charge and to coordinate the interaction between the shipment points of mate-rials and the vehicles. The control solution presented is made for an AGV system testbed, composed of two AGVs and two material transfer stations, although the solution can be generalized to larger systems. The implementation of supervisors is also covered. The control is imple-mented through a three level hierarchy structure that aims to maintain the characteristics proposed by the supervisory control theory. To eva-luate the controller correctness, it was developed a graphical environ-ment of emulation that allows predicting the responses to the control actions through graphic animations. It was verified by emulation that the applied approach performs the system control without deadlocks or livelocks and preserves the operational flexibility.
xiii SUMÁRIO
1 Introdução ... 1
2 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos ... 5
2.1 Geradores como modelos para sistemas a eventos discretos ... 5
2.2 Teoria de Controle Supervisório ... 6
2.3 A célula flexível de manufatura ... 10
2.4 Modelagem dos subsistemas da CFM ... 12
2.5 Modelagem das especificações ... 15
2.5.1 Síntese dos supervisores modulares locais da CFM ... 19
2.6 Redução e implementação de supervisores ... 21
2.7 Conclusão do capítulo ... 21
3 Sistemas de veículos auto-guiados ... 23
3.1 Estrutura de sistema de AGV ... 23
3.1.1 Veículos ... 24
3.1.2 Sistema de navegação ... 25
3.1.3 Controlador ... 27
3.1.4 Sistema de comunicação ... 28
3.2 Problemas de controle de sistema de AGV ... 28
3.2.1 Despacho e roteamento dos veículos ... 29
3.2.2 Gerenciamento de tráfego ... 29
3.2.3 Gerenciamento da carga da bateria dos AGVs ... 30
3.2.4 Sincronização entre operações ... 31
3.3 Conclusão do capítulo ... 31
4 Aplicação da TCS a um sistema de AGV ... 33
4.1 O sistema de AGV ... 33
4.2 Modelagem do sistema de AGV ... 36
4.3 Modelagem das especificações do sistema de AGV ... 39
xiv
4.5 Emulação dos supervisores ... 45
4.6 Expansão para sistemas de grande porte ... 45
4.7 Conclusão do capítulo ... 46
5 Implementação de supervisores em sistema de AGV ... 47
5.1 Estrutura genérica de controle ... 47
5.2 Estrutura de controle aplicada ao sistema de AGV ... 48
5.3 Ambiente de emulação do controlador ... 54
5.4 Implementação da bancada experimental do sistema de AGV 55 5.5 Conclusão do capítulo ... 56
6 Conclusão ... 59
xv
LISTA DE ABREVIATURAS AGV automated guided vehicle (veículo auto-guiado) CFM célula flexível de manufatura
CLP controlador lógico programável e.r.a em relação a
SED sistema a eventos discretos TCS teoria de controle supervisório
xvii
LISTA DE SÍMBOLOS || operador de produto síncrono ܮത prefixo-fechamento de L
∅ conjunto vazio
K, L linguagens
Σ alfabeto
Σc conjunto de eventos controláveis Σu conjuntos de eventos não controláveis Σ* conjunto de todas as cadeias finitas de Σ
ε cadeia vazia
G gerador
L(G) linguagem gerada por G Lm(G) linguagem marcada por G
E especificação
S supervisor
Sloc supervisor modular local
Sred supervisor modular local reduzido S/G supervisor S controlando G
xix
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Visualização gráfica de um gerador ... 6
Figura 2.2. Estrutura em malha fechada do controle supervisório ... 7
Figura 2.3. Exemplificação de plantas locais ... 9
Figura 2.4. Célula Flexível de Manufatura ... 10
Figura 2.5. Geradores (a) G1 e (b) G2 ... 12
Figura 2.6. Gerador G3 ... 14
Figura 2.7. Geradores (a) G4, (b) G5 e (c) G6 ... 14
Figura 2.8. Gerador G7 ... 15
Figura 2.9. Gerador E1... 15
Figura 2.10. Geradores (a) E2a, (b) E2b, (c) E2c e (d) E2d ... 16
Figura 2.11. Gerador genérico para E3a, E3b, E3c ... 17
Figura 2.12. Seqüência de operações relacionada à especificação E3a... 17
Figura 2.13. Gerador E3d ... 18
Figura 2.14. Geradores (a) E4a e (b) E4b ... 19
Figura 3.1. Tipos de AGVs: (a) reboque (JBT, 2009), (b) carga de unidade (ELETTRIC80, 2009), (c) linha de montagem (JBW, 2009) ... 25
Figura 3.2. Tipos de AGVs: (a) carga de pallet (ELETTRIC80, 2009), (b) cargas leves (AUTOMOTION, 2009) ... 25
Figura 4.1. Sistema de veículos auto-guiados ... 34
Figura 4.2. Metodologia para obtenção do sistema de controle ... 36
Figura 4.3. Gerador GAGV1 ... 37
Figura 4.4. Gerador GAGV2 ... 38
Figura 4.5. Geradores (a) GCARGA e (b) GDESCARGA ... 38
Figura 4.6. Geradores (a) GSENT, (b) GSBAT1, (c) GSBAT2 ... 39
Figura 4.7. Especificação de exclusão mútua genérica ... 39
Figura 4.8. Especificação de exclusão mútua ECOL9 para a zona HKL ... 40
Figura 4.9. Especificação (a) EMAN1 e especificação genérica para (b) EMAN2 e EMAN3 ... 40
Figura 4.10. Especificação genérica para EMAN4 e EMAN5 ... 41
Figura 4.11. Especificações (a) EMAN6 e (b) EMAN7 ... 41
Figura 4.12. Especificações (a) EMAN8 e (b) EMAN9 ... 41
Figura 4.13. Geradores intermediários para se obter EMAN10 e EMAN11 ... 42
Figura 4.14. Especificações (a) EROT1 e EROT2 ... 42
Figura 4.15. Especificações EROT3 (<AGV> = 1) e EROT4 (<AGV> = 2) ... 43
xx
Figura 5.2. Estrutura do pseudo-código da implementação ... 49 Figura 5.3. Implementação do supervisor SredMAN2 em C ... 51 Figura 5.4. Implementação do gerador GCARGA no nível
sistema-produto ... 52 Figura 5.5. Trecho da implementação do gerador GAGV1 no nível
sistema-produto ... 53 Figura 5.6. Implementação das seqüências operacionais do gerador
GCARGA ... 53
Figura 5.7. Ambiente de emulação do controlador ... 54 Figura 5.9. Arquitetura de implementação do sistema de AGV ... 56
xxi
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Eventos da Célula Flexível de Manufatura ... 13 Tabela 2.2. Plantas locais para a CFM ... 20 Tabela 2.3. Número de estados dos geradores da síntese dos
supervisores ... 20 Tabela 4.1. Plantas locais para o sistema de AGV ... 43 Tabela 4.2. Resumo da síntese dos supervisores do sistema de AGV ... 44
Capítulo 1
Introdução
Manejo de materiais refere-se à função de transporte entre dife-rentes pontos, atendendo a requisitos de tempo, quantidade, seqüência e condições para reduzir o custo da produção. O mesmo não deve ser entendido exclusivamente como movimento dos materiais, pois envolve também os processos de empacotamento e armazenamento. Estima-se que o manejo de materiais demande entre 40 a 80 por cento do custo operacional total da produção (Meyers e Stephens, 2002). Diante disto, a automação preocupa-se em fornecer meios para reduzir estes custos sem perder a confiabilidade do sistema. Apesar da redução de custos fre-qüentemente aparecer como o principal motivo para a automatização do manejo de materiais, não se pode excluir as justificativas relacionadas à qualidade, saúde, segurança, etc. (Kent e Williams, 1990).
Dentro do contexto da automação do manejo de materiais, os veí-culos auto-guiados (AGV) surgem como alternativa importante para a movimentação de materiais. Estes veículos não requerem um operador humano para conduzi-los e são empregados em ambientes que possuem um fluxo repetitivo de deslocamento de materiais entre pontos previa-mente determinados. A implantação e manutenção de sistemas de AGV são bastante dispendiosas, no entanto, quando o custo é justificado, estes sistemas oferecem uma série de vantagens. Pode-se citar, por exemplo, a flexibilidade oferecida pela estrutura do sistema, que torna fácil e rápida a alteração ou expansão das rotas existentes (HKSYSTEMS, 2009). Outra vantagem é que a falha de um veículo pode ser isolada do sistema e o fluxo de transporte é mantido enquanto o mesmo é reparado. Deve-se lembrar também que os AGVs são mais Deve-seguros quando comparados com veículos operados por humanos, já que os AGVs não estão sujeitos aos desgastes físico – diferente de desgaste mecânico – e psicológico sofridos pelos humanos quando operam veículos de transportes. Isto é um fator extremamente relevante, já que os acidentes ocorridos durante o manejo de materiais representam metade dos acidentes industriais (Meyers e Stephens, 2002).
A implantação bem sucedida de sistemas de AGV ao longo das décadas tem expandido sua aplicação em diversos setores da produção
2 Introdução
industrial, comércio e serviço. A característica de cada um destes setores exige soluções próprias para lidar com o transporte de materiais. No ambiente industrial os AGVs são aplicados na conexão de diferentes áreas de trabalho, coleta de pedidos, estocagem e linhas de montagem (Schulze, et al., 2008). Em terminais de containers automatizados, os AGVs participam do processo de carregamento e descarregamento de navios (Günther e Kim, 2005). Não se excluem também as aplicações em escritórios e hospitais. Em escritórios estes dispositivos são utiliza-dos para entregas de correspondências e pacotes leves. Já em algumas instalações hospitalares, observa-se o transporte de suprimentos cirúrgi-cos e alimentação com estes veículos (Groover, 2007). As aplicações não se limitam a estas e tendem a se propagar a outros setores.
Diante da relevância das aplicações dos AGVs, são válidas as pesquisas de novas soluções para o aprimoramento das tecnologias as-sociadas aos mesmos. Este trabalho concentra-se na problemática de controle, a qual se preocupa em estabelecer uma política de controle que satisfaça as demandas de transporte de modo rápido e sem a ocorrência de conflitos entre os AGVs (Vis, 2006). Esta política deve realizar ativi-dades como, por exemplo, despacho dos veículos, roteamento dos veícu-los, escalonamento das tarefas dos AGVs e posicionamento dos veículos ociosos. Um problema bastante discutido no meio científico, no que diz respeito à política de controle, refere-se ao gerenciamento de tráfego dos AGVs. Neste campo de estudo busca-se métodos de controle que permi-tam o deslocamento dos AGVs de modo a prevenir colisões entre veícu-los e deadlocks.
No gerenciamento de tráfego é comum a abordagem de controle por zonas, a qual proíbe o acesso mútuo de veículos em uma mesma zona. Evers e Koppers (1996) sugerem a utilização de semáforos para proporcionar o acesso de vários veículos simultaneamente numa mesma zona. De acordo com a quantidade e os locais de entradas e saídas de cada área, é estabelecida uma regra de aumento ou redução do número de vagas de veículos autorizados a transitar pela área por meio de semá-foros. Hsieh e Kang (1998) apresentam um método para traduzir um modelo em alto nível do layout de percurso de sistemas de AGVs para uma lógica de controle em baixo nível utilizando redes de Petri como interface de controle entre esta lógica e o sistema real. É utilizada uma abordagem modular para resolver problemas de controle de partes espe-cíficas do percurso – segmentos, bifurcações, junções e interseções – através da abordagem tradicional de controle de zonas para prevenção de colisões. Com a união destas partes se obtém um modelo completo para o layout proposto.
Introdução 3 Moorthy (2003) apresenta um algoritmo para a prevenção de deadlocks cíclicos, o qual ocorre quando um veículo A necessita acessar uma zona utilizada pelo veículo B e este quer acessar a zona acessada pelo veículo C que por sua vez espera pela liberação da zona do veículo do solicitante inicial, formando um ciclo. Também é discutida a ocor-rência de deadlocks cíclicos múltiplos, que consiste na existência de vários deadlocks cíclicos conectados pela necessidade do uso de um recurso comum. O algoritmo estima dinamicamente a posição dos veí-culos antecipadamente em uma zona e verifica a formação de deadlocks cíclicos. Reveliotis (2000) propõe um algoritmo de roteamento em tem-po real que busca o percurso livre de deadlock incrementalmente, a cada mudança de zona. As decisões de roteamento baseiam-se em critérios de segurança e desempenho.
A dinâmica dos sistemas de AGV, analisada sob o ponto de vista de controle, pode ser interpretada como sendo da classe de sistemas a eventos discretos (SED). Os SEDs são sistemas cuja evolução se carac-teriza pela ocorrência de eventos que ocorrem abruptamente e, possi-velmente, em intervalos de tempo irregulares e desconhecidos (Ramadge e Wonham, 1989).
O controle de SEDs é um campo que vem sendo estudado nas úl-timas décadas e não apresenta um modelo matemático consolidado para tratar suas especificidades. Várias são as abordagens existentes na litera-tura. Cadeias de Markov, Redes de Filas e Simulação aparecem como forma de avaliação de desempenho para estes modelos. Lógica Tempo-ral, Redes de Petri e Teoria de Controle Supervisório lidam com a análi-se e sínteanáli-se de controle para SEDs (Cassandras e Lafortune, 1999).
A Teoria de Controle Supervisório (TCS) (Ramadge e Wonham, 1989) apresenta uma particularidade especial: oferece um método de síntese automática para obter um supervisor ótimo para o sistema. Em outras palavras isto significa dizer que, a partir das especificações forne-cidas, é alcançada uma solução minimamente restritiva e não bloqueante para controlar o sistema. Em resumo, o supervisor age no sistema proi-bindo a ocorrência de ações que levariam a situações indesejáveis. Co-mo extensão da TCS há a abordagem Co-modular local (Queiroz e Cury, 2002), a qual propõe a síntese de vários supervisores, que atuam coope-rativamente, para tratar problemas específicos do sistema. Esta aborda-gem, quando aplicável, reduz a complexidade computacional para a síntese dos supervisores em relação à TCS. Conforme visto, sistemas de AGV lidam com uma diversidade de problemas de controle, e a TCS, além de apresentar estas boas propriedades, é capaz de abordar vários destes problemas.
4 Introdução
O objetivo geral deste trabalho é utilizar a TCS, em sua aborda-gem modular local, para resolver o problema de controle de sistemas de AGV. Para alcançar este objetivo, conta-se com uma bancada experi-mental microcontrolada representativa de um sistema de AGV real que é composta por dois veículos e duas estações de transferências de materi-ais, sendo uma de coleta e outra de entrega.
Para este sistema, são apresentadas soluções para evitar colisões entre os veículos, deadlocks, regras de roteamento para os veículos – determinação de percurso seguro que leve o veículo ao seu objetivo, neste caso desconsiderando os requisitos temporais –, gerenciamento da bateria dos veículos e questões de coordenação entre os veículos e as estações de transferência de materiais.
Apesar das soluções propostas serem geradas para este sistema em particular, busca-se obter um conjunto de especificações de controle cujos modelos são bases para a construção de soluções para sistemas de AGV de grande porte.
O trabalho ultrapassa a solução teórica e apresenta a implementa-ção dos supervisores modulares locais em linguagem C para a bancada experimental citada. A implementação é feita de acordo com uma estru-tura genérica hierárquica para controle supervisório (Queiroz e Cury, 2002).
O conteúdo deste documento é organizado como segue. No capí-tulo 2 a TCS é apresentada a partir da solução do problema real de uma célula flexível de manufatura. No capítulo 3 são apresentados conceitos sobre sistemas de AGV e uma descrição de como a problemática de controle dos mesmos é tratada. No capítulo 4 é apresentado o sistema de AGV estudado e a descrição do processo de obtenção dos supervisores segundo a metodologia da TCS. A implementação dos supervisores sintetizados é descrita no capítulo 5. O trabalho é finalizado no capítulo 6, onde são expostas as conclusões e perspectivas futuras.
Capítulo 2
Teoria de controle supervisório de sistemas
a eventos discretos
Neste capítulo são explicados os conceitos da TCS (Ramadge e Wonham, 1989) e da abordagem modular local (Queiroz e Cury, 2002). Para exemplificar a teoria, é solucionado um problema real de controle de uma célula flexível de manufatura (CFM) (Silva e Queiroz, 2009), utilizando a abordagem modular local da TCS. Este problema foi anteri-ormente solucionado por (Klinge, 2007), porém a solução proposta por esta autora apresentava situações de bloqueio. Para o problema apresen-tado, são descritos os processos de modelagem e síntese dos superviso-res modulasuperviso-res locais ótimos.
2.1 Geradores como modelos para sistemas a eventos discretos Um sistema a eventos discretos (SED), cujo conjunto de eventos (alfabeto) seja Σ, pode ser representado por uma linguagem L ⊆Σ*, sendo Σ* o conjunto de todas as cadeias finitas formadas por elementos de Σ, inclusive a cadeia vazia ε. A linguagem de um SED é, portanto, um subconjunto desta totalidade de possibilidades e retrata as seqüên-cias finitas de eventos factíveis de ocorrer.
O gerador é definido por uma quíntupla de forma G = (Σ, Q, δ, q0, Qm) (Hopcroft e Ullman, 1979). Σ representa o conjunto de eventos, Q o conjunto de estados, q0 ∈ Q o estado inicial, Qm ⊆ Q o subconjunto de estados marcados e δ: Σ ×Q → Q a função de transição parcial defi-nida em cada estado de Q para um subconjunto de Σ.
O gerador está associado às linguagens gerada L(G) e marcada Lm(G). A primeira representa todas as seqüências possíveis de ocorrer a partir do estado inicial. A segunda indica as seqüências que alcançam um estado marcado a partir do estado inicial, o que significa conclusão de uma tarefa.
Os geradores podem ser graficamente visualizados por diagramas de transição de estado, que são grafos direcionados. Os vértices
simboli-6 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discret zam os estados e os arcos, associados com as respectivas funções de transições parciais, a ocorrência dos eventos. U
estado inicial e os estados marcados são desenhados como círculos d plos.
Figura 2.1. Visualização gráfica de um gerador Se a partir do estado inicial q0 de um gerador qüência de eventos que leva a um estado
acessível. Diz-se que G é acessível se todos os seus estados são acess veis. Tem-se também que o estado q de um gerador é co
partir de q existe uma seqüência de eventos que cado. G é co-acessível se todos os seus estados são co
acessível e co-acessível, o gerador G é chamado de aparado ou Um gerador é não bloqueante caso
jam co-acessíveis. O bloqueio ocorre quando o gerador não consegue progredir até um estado marcado, ou porque o mesmo avançou até um estado não marcado onde não há transições de saída
porque sua evolução está restrita a um conjunto de estados dos a partir dos quais não existe uma seqüência de evento um estado marcado – livelock.
Para representar a evolução paralela de geradores, recorre composição síncrona dos mesmos (Cassandras e Lafortune, 1999) jam os geradores G1 e G2, a composição síncrona destes geradores, obt da pela evolução concorrente dos dois geradores sincronizando eventos compartilhados, é simbolizada por
crona é uma operação comutativa e associativa e quando se deseja co por vários geradores a operação pode ser
2.2 Teoria de Controle Supervisório
A TCS, proposta por Ramadge e Wonham
método formal, baseado na teoria de autômatos e linguagens, para gerar um supervisor que rege o sistema de acordo com um mapa de leis de controle. O supervisor acompanha seqüencialmente os eventos que oco rem na planta, representada de forma abstrata por
quais dos eventos devem ser evitados em certos instantes, a fim de g Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos zam os estados e os arcos, associados com as respectivas funções de transições parciais, a ocorrência dos eventos. Uma flecha aponta para o estado inicial e os estados marcados são desenhados como círculos
du-. Visualização gráfica de um gerador
de um gerador G existe uma se-qüência de eventos que leva a um estado q, tal estado é chamado de
é acessível se todos os seus estados são acessí-de um gerador é co-acessível se a existe uma seqüência de eventos que leva a um estado
mar-acessível se todos os seus estados são co-acessíveis. Sendo é chamado de aparado ou trim. bloqueante caso todos os estados acessíveis
se-ocorre quando o gerador não consegue progredir até um estado marcado, ou porque o mesmo avançou até um onde não há transições de saída – deadlock – ou porque sua evolução está restrita a um conjunto de estados não
marca-uais não existe uma seqüência de eventos que leve a Para representar a evolução paralela de geradores, recorre-se a (Cassandras e Lafortune, 1999). Se-, a composição síncrona destes geradoresSe-, obti-da pela evolução concorrente dos dois geradores sincronizando-se os eventos compartilhados, é simbolizada por G1 || G2. A composição
sín-ração comutativa e associativa e quando se deseja feita repetitivamente aos pares.
Ramadge e Wonham (1989), oferece um método formal, baseado na teoria de autômatos e linguagens, para gerar ge o sistema de acordo com um mapa de leis de controle. O supervisor acompanha seqüencialmente os eventos que
ocor-, representada de forma abstrata por geradoresocor-, e determina quais dos eventos devem ser evitados em certos instantes, a fim de
ga-Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 7 rantir a segurança e a execução especificada para o sistema. Este método atinge o controle mais flexível para o sistema, visto que permite a ocor-rência de todas as ações que não se oponham ao comportamento especi-ficado.
A interação do supervisor com a planta ocorre através da estrutu-ra em malha fechada ilustestrutu-rada pela figuestrutu-ra 2.2. O supervisor é atualizado sempre que ocorre um evento na planta e a partir desta resposta ele de-sabilita os eventos indesejáveis para o sistema.
Figura 2.2. Estrutura em malha fechada do controle supervisório
O supervisor S é representado por um gerador cujos eventos este-jam contidos no alfabeto de G. Para propósitos de controle, o conjunto dos eventos Σ do gerador é particionado em dois subconjuntos Σc e Σu,
sendo Σc os eventos controláveis e Σu os não controláveis (Ramadge e
Wonham, 1989). Os eventos controláveis podem ser habilitados ou de-sabilitados por S, ao passo que os não controláveis estão sempre habili-tados. Para desabilitar os eventos controláveis, tais eventos são omitidos nas respectivas transições de estado de S. Para habilitar, os eventos de-vem estar explícitos nas transições de estado de S. Na representação gráfica dos geradores, os eventos controláveis são aqueles que apresen-tam um traço no arco de transição.
Diz-se que S/G é o gerador que representa S controlando G. Um supervisor S é não bloqueante se ܮതതതതതതതതതതതത = ܮሺܵ/ܩሻ, sendo ܮത o con-ሺܵ/ܩሻ junto de todas as cadeias de Σ* que são prefixos de cadeias de L (prefi-xo-fechamento).
No desenvolvimento do supervisor, consideram-se as seqüências de eventos possíveis de ocorrer no sistema real – malha aberta – e, ob-tém-se uma especificação K, a partir da composição síncrona das especi-ficações genéricas E e da planta G. Deseja-se obter um elemento contro-lador que não apresente seqüências indesejáveis que se oponham à lógi-ca de controle que se queira allógi-cançar ou que levariam a uma situação de bloqueio.
8 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos A condição necessária e suficiente para a existência de um super-visor S não bloqueante que satisfaça uma dada especificação K = Lm(S/G) ⊆ Lm(G) é a controlabilidade de K. Diz-se que K é controlável e.r.a G se KΣu ∩ L(G) ⊆ K , ou seja, a ocorrência de um evento não controlável em G não gera uma seqüência de eventos que desrespeite a especificação. Seja C(K,G) o conjunto de todas as sublinguagens de K controláveis e.r.a G. Existe um elemento, chamado SupC(K, G), que contém a máxima sublinguagem de K que é controlável e.r.a G (Wonham, 2008).
O não bloqueio é tratado durante o cálculo do supervisor, que le-va em conta os estados marcados, os quais indicam a conclusão de tare-fas. Uma tarefa completa de G sob a supervisão de S acontece quando ambos os geradores alcançam um estado marcado.
Diz-se que o controle é monolítico quando há um único supervi-sor atuando sobre a planta que atenda todas as especificações. Queiroz e Cury (2000) propõe a abordagem modular local, a qual é uma extensão da TCS, que oferece um controle através de vários supervisores e plan-tas locais. Cada supervisor é responsável por uma especificação com-portamental e juntos cooperam para o correto monitoramento e atuação no sistema.
Na abordagem modular local, a especificação restringe as ações da planta local, a qual é composta por todos os geradores dos subsiste-mas que compartilham ao menos um evento com esta especificação. Suponha que um sistema seja composto pelos subsistemas Gk = (Σk, Qk, δk, q0k, Qmk), k ∈ Κ . As especificações genéricas Ex, x ∈ X, representam o comportamento desejável para este sistema e seus alfabetos são defi-nidos por Σx ⊆ Σ. A planta local Glocx = (Σlocx, Qlocx, δlocx, q0locx, Qmlocx) referente à especificação Ex é expressa por Glocx =
locx I k∈
||
Gx, para Ilocx = {k ∈ Κ | Σk ∩ Σx ≠ ∅}.O exemplo apresentado na figura 2.3 ilustra como são obtidas as plantas locais. Sejam G0, G1, G2, G3 e G4 os geradores que representam
os subsistemas da planta e E0, E1 e E2 as especificações genéricas de um
determinado sistema. Cada especificação genérica está associada a um conjunto Ilocx formado pelos geradores que apresentam ao menos um evento comum à esta especificação. Neste exemplo, E0 está associado ao
conjunto IlocE0={G0, G1}, E1 ao conjunto IlocE1={G1, G2, G3} e E2 ao
conjunto IlocE2={G4}. A composição síncrona dos elementos de cada
conjunto fornece a planta local referente a cada especificação genérica do sistema.
Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 9
Figura 2.3. Exemplificação de plantas locais
Obtêm-se os supervisores modulares locais Slocx calculando-se SupC(Klocx, Glocx), sendo Klocx a especificação local, a qual é definida por Klocx = Glocx || Ex.
Para garantir que os supervisores modulares locais atuem no sis-tema de modo equivalente à abordagem monolítica, se faz necessária a verificação da modularidade local dos supervisores. Tal propriedade é válida se o gerador resultante da composição síncrona de todos os su-pervisores modulares locais do sistema é trim. Caso contrário, há confli-to entre os supervisores e, como conseqüência, não é mais garantida a propriedade de não bloqueio dos supervisores modulares locais. Para solucionar o conflito recorre-se a diferentes alternativas. Uma delas é descartar os supervisores modulares locais e recorrer ao controle mono-lítico. Pode-se também utilizar o supervisor monolítico em conjunto com os supervisores modulares locais, de modo que o monolítico atue como o coordenador dos supervisores conflitantes. Tal método se torna útil quando se deseja conservar a arquitetura modular de controle (Queiroz, 2004). Pena et al.(2009) e Flordal e Malik (2006) também procuram soluções para tornar este problema abordável.
A metodologia para a síntese dos supervisores segundo a TCS se-gue três etapas: modelagem da planta a ser controlada, modelagem das especificações desejadas para a planta e síntese de uma lógica de contro-le ótima. Nas próximas seções deste capítulo é apresentada a aplicação da TCS para controlar uma célula flexível de manufatura.
10 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 2.3 A célula flexível de manufatura
A CFM é uma bancada experimental desenvolvida em parceria entre o Instituto Federal Santa Cataria (IFSC) e o Departamento de Au-tomação e Sistemas da Universidade Federal de Santa Catarina. A CFM, figura 2.4, é composta por quatro estações operacionais que são conec-tadas através de uma mesa rotativa, que opera sempre no sentido horá-rio, e um manipulador robótico. Estas estações realizam a furação, a soldagem, o teste de qualidade e o retrabalho de peças. O objetivo prin-cipal da CFM é furar e soldar peças que chegam ao buffer de entrada. Naturalmente, como em uma indústria real, as peças algumas vezes não são fabricadas corretamente no ciclo normal de produção e necessitam ser reparadas. Desta forma, a estação de retrabalho da CFM funciona como entrada de peças manualmente restauradas. O sistema não apre-senta sensores para indicar a chegada de peças nas estações de furação, soldagem e teste. Assim, a presença de peças sobre a mesa deve ser deduzida a partir do histórico de eventos.
Há três classes de armazenamento possíveis para as peças: apro-vadas, reprovadas e danificadas. Quando uma peça falha no teste de qualidade, ela é reprovada se vier da estação de retrabalho ou vai para o depósito de peças danificadas se for oriunda do buffer de entrada. Se a peça foi manufaturada corretamente, ela é posta classificada como apro-vada, não importando sua origem.
Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 11 Como mencionado, as peças podem vir tanto do buffer de entrada como da estação de retrabalho. Quando uma peça bruta chega ao buffer de entrada o manipulador robótico a coloca sobre a posição S1 da mesa. Então, a mesa giratória conduz a peça bruta pelas estações de furação, soldagem e teste de qualidade, e finalmente retorna para a posição S1 para ser retirada. Finalmente, a garra coloca a peça no depósito de peças aprovadas ou danificadas conforme o resultado do teste.
Sempre que uma peça chega à estação de retrabalho, o manipula-dor robótico a coloca sobre a mesa giratória, a qual faz a peça alcançar a estação de teste de qualidade e posteriormente a posição S1 sem que sejam efetuados os processos de furação e soldagem. Alcançando a po-sição S1, o manipulador robótico retira a peça da mesa e a coloca no depósito de aprovadas ou reprovadas de acordo com o teste.
É possível implementar uma ampla variedade de leis de controle para a CFM dependendo do comportamento desejado pelo projetista. Poderia ser especificado, por exemplo, uma seqüência de manufatura que permitisse o uso de um único slot da mesa giratória. Desde que se pretende alcançar a máxima eficiência e flexibilidade na produção, res-peitando as restrições de segurança do sistema, deseja-se que a CFM possa fabricar peças utilizando até o limite máximo dos slots da mesa simultaneamente. Para isso, devem-se evitar alguns problemas que po-deriam acontecer durante a fabricação de várias peças ao mesmo tempo, como:
• Girar a mesa se não houver pelo menos uma peça sobre ela;
• Girar a mesa enquanto qualquer das estações estiver realizando uma tarefa;
• Girar a mesa caso existam peças esperando para serem furadas, sol-dadas, testadas ou removidas pelo manipulador robótico;
• Efetuar as operações de furação, soldagem, teste e manipulação ro-bótica se não houver peça esperando pela realização das tarefas cita-das no slot correspondente;
• Executar a mesma operação por duas vezes consecutivas em uma peça;
• Furar e soldar peças que chegam da estação de retrabalho; • Sobrepor peças na posição S1;
• Acionar o manipulador robótico para pegar peças nas entradas do sistema sem haver peça nas mesmas.
Respeitando os critérios descritos, pretende-se sintetizar um con-trolador não bloqueante e minimamente restritivo para a CFM. Assim,
12 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos para resolver este problema de controle, será utilizada a TCS (Ramadge e Wonham, 1989).
2.4 Modelagem dos subsistemas da CFM
De acordo com a metodologia da TCS, a modelagem da planta inicia-se com a identificação dos subsistemas que a compõem. Cada um deles apresenta um comportamento próprio que quando atuando em conjunto, sob supervisão de um elemento de controle, atuam de forma coordenada. No caso da CFM, são subsistemas da planta: a mesa, o manipulador robótico, o buffer de entrada e as estações de retrabalho, furação, soldagem e teste. Estes subsistemas são modelados separada-mente por geradores. Como os problemas de controle da CFM referidos na seção 2.3 relatam situações que poderiam ocorrer durante a interação entre os subsistemas, os geradores modelados levam em conta basica-mente o início e fim de operações, o que não acarreta perdas no desem-penho do controle. Na tabela 2.1 são apresentados os eventos utilizados na modelagem dos geradores dos subsistemas e o significado físico dos mesmos.
O buffer de entrada e a estação de retrabalho possuem sensores, cujos modelos – G1 e G2 – são vistos na figura 2.5. Os sensores
sinali-zam a chegada de peças através dos eventos sen_ib e sen_rw respecti-vamente. Ambos os eventos são modelados como não controláveis e podem ocorrer a qualquer instante no sistema.
Figura 2.5. Geradores (a) G1 e (b) G2
O manipulador robótico, representado pela gerador G3 na figura
2.6, executa cinco ações diferentes. Ele pode pegar peças do buffer de entrada ou da estação de retrabalho, iniciados por st_grabib e st_grabrw respectivamente, e colocá-las no slot S1 da mesa. Ele também retira as peças que alcançam o slot S1 e as coloca nos três compartimentos de armazenamento de peças, através dos comandos st_putgood, st_putbad e st_putdmgd, que iniciam a operação de estocagem das peças aprovadas, reprovadas e danificadas respectivamente.
Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 13 Tabela 2.1. Eventos da Célula Flexível de Manufatura
Equipamento Evento Descrição
Mesa giratória
st_turn
(controlável) Gira a mesa em 90 graus no sentido horário.
fi_turn
(não controlável) Sinaliza o fim do giro da mesa.
Furadeira
st_drill
(controlável) Inicia a furação.
fi_drill
(não controlável) Sinaliza o fim da furação.
st_skdrill
(controlável) Não realiza a furação.
fi_skdrill
(não controlável) Sinaliza a não realização da furação.
Soldadeira
st_weld
(controlável) Inicia a soldagem.
fi_weld
(não controlável) Sinaliza o fim da soldagem.
st_skweld
(controlável) Não realiza a soldagem.
fi_skweld
(não controlável) Sinaliza a não realização da soldagem.
Teste
st_test1
(controlável) Inicia o teste das peças brutas.
st_test2
(controlável) Inicia o teste das peças retrabalhadas.
fi_ok
(não controlável) Sinaliza a aprovação no teste.
fi_nok1
(não controlável) Sinaliza a primeira rejeição no teste.
fi_nok2
(não controlável) Sinaliza a segunda rejeição no teste.
Manipulador Robó-tico
st_grabib
(controlável)
Pega peça do buffer de entrada e coloca na posição S1.
fi_grabib
(não controlável) Sinaliza o fim desta operação.
st_grabrw
(controlável)
Pega peça da estação de retrabalho e coloca na posição S1.
fi_grabrw
(não controlável) Sinaliza o fim desta operação.
st_putgood
(controlável)
Retira peça da posição S1 e coloca no comparti-mento de peças aprovadas.
fi_putgood
(não controlável) Sinaliza o fim desta operação.
st_putbad
(controlável)
Retira peça da posição S1 e coloca no comparti-mento de peças reprovadas.
fi_putbad
(não controlável) Sinaliza o fim desta operação.
st_putdmdg
(controlável)
Retira peça da posição S1 e coloca no comparti-mento de peças danificadas.
fi_putdmgd
(não controlável) Sinaliza o fim desta operação. Sensor do buffer de
entrada
sen_ib
(não controlável) Sinaliza a chegada de peça no buffer de entrada. Sensor da estação de
retrabalho
sen_rw
(não controlável)
Sinaliza a chegada de peça através da estação de retrabalho.
14 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos
Figura 2.6. Gerador G3
O gerador da mesa – G4 –, ilustrada pela figura 2.7 (a), inicia a
rotação a partir do comando st_turn e ao final da operação envia o sinal fi_turn. As estações de furação – G5 – e soldagem – G6 – iniciam suas
respectivas operações sobre as peças que chegam do buffer de entrada através dos comandos st_drill e st_weld e enviam os sinais fi_drill e fi_weld após a conclusão das mesmas. De acordo com as restrições a-presentadas na seção 2.3, as peças originárias da estação de retrabalho não devem ser furadas e soldadas. Para isso, as plantas G5 e G6,
ilustra-das na figura 2.7 (b) e (c) respectivamente, são modelailustra-das com os even-tos st_skdrill e st_skweld, que representam a não realização das opera-ções de furação e soldagem. A introdução destes eventos fictícios facili-ta a modelagem das especificações apresenfacili-tadas na seção 2.5.
Figura 2.7. Geradores (a) G4, (b) G5 e (c) G6
A estação de teste deve alertar o sistema sobre quantas vezes uma peça foi rejeitada. Para isto, o gerador da estação de teste – G7 –, visto
na figura 2.8, é modelado para executar, logicamente, dois tipos de teste. O primeiro teste é aplicado às peças originárias do buffer de entrada e responde com fi_ok caso a peça tenha sido aprovada ou fi_nok1 se rejei-tada pela primeira vez. O segundo teste verifica as peças que chegam pela estação de retrabalho e a resposta pode indicar aprovação, com fi_ok, ou a segunda rejeição, através de fi_nok2.
Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 15
Figura 2.8. Gerador G7
2.5 Modelagem das especificações
A composição síncrona dos geradores dos subsistemas da planta representa o comportamento em malha aberta da mesma. Em malha aberta há seqüências de eventos que levariam a situações indesejáveis para o sistema. Um exemplo desta situação na CFM seria a mesa girar enquanto uma peça estivesse sendo furada. O papel das especificações é expressar um conjunto de restrições que evite a ocorrência destas se-qüências indesejadas. Em geral, as especificações são modeladas por um conjunto de geradores que determinam como a operação coordenada dos subsistemas deve ocorrer. No caso da CFM, as especificações focam na resolução dos problemas de interação entre os subsistemas mencionados na seção 2.3.
A especificação E1, vista na figura 2.9, preocupa-se em não
per-mitir que a mesa gire sem a existência de peças sobre seus slots. No estado 1 não há peças sobre a mesa, sendo proibido que a mesa gire – evento st_turn. O evento st_turn somente é habilitado no estado 2, quando é certo que existe pelo menos uma peça sobre a mesa – após ocorrer pelo menos um dos eventos fi_grabrw, fi_grabib, fi_drill, fi_skdrill, fi_weld, fi_skweld, fi_ok, fi_nok1 ou fi_nok2. O auto-laço em E1, permite que os eventos listados anteriormente possam ocorrem mais
de uma vez, possibilitando a execução concorrente destas tarefas.
Figura 2.9. Gerador E1
Durante a execução do sistema, deve haver exclusão mútua entre a mesa e o manipulador robótico, a estação de furação, a estação de soldagem e a estação de teste. Para tratar a exclusão mútua, foram mo-delados os geradores E2a, E2b, E2c e E2d, que são visualizados na figura
16 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos – st_turn, nenhuma operação das estações ou do manipulador robótico deve ser realizada até que o sinal fi_turn seja sinalizado e vice-versa.
Figura 2.10. Geradores (a) E2a, (b) E2b, (c) E2c e (d) E2d
A coordenação do manipulador robótico e das estações de fura-ção, soldagem e teste em relação ao fluxo de peças é subdividida em quatro especificações, de modo que cada uma delas foca na interação entre dois subsistemas vizinhos. A especificação E3a responde pelo
ma-nipulador robótico e a estação de furação, E3b pelas estações de furação
e soldagem, E3c pelas estações de soldagem e teste e E3d pela estação de
teste e o manipulador robótico. Um modelo genérico para os geradores E3a, E3b e E3c é mostrado na figura 2.11. Os estados destes geradores são
definidos por um par de números que indicam se nos slots dos subsiste-mas envolvidos na coordenação existem peças esperando pela execução de uma operação. Ressalta-se que o slot associado ao manipulador robó-tico é o S1. Os números 0, 1 e 2 indicam respectivamente que não há peça no slot esperando pela execução de uma tarefa, que há uma peça vinda do buffer de entrada esperando pela execução de uma tarefa e que há uma peça vinda da estação de retrabalho esperando pela execução de uma tarefa. Os índices numéricos dos estados representam respectiva-mente o primeiro e o segundo subsistema envolvido na coordenação.
Os eventos fi_<ação_ib> correspondem aos sinais de fim de ope-ração do subsistema anterior sobre uma peça oriunda do buffer de entra-da. Já o evento st_<prox_ação> representam o início das operações sobre as peças vindas do buffer de entrada pelo subsistema seguinte ao que sinalizou o evento fi_<ação_ib>. Análise análoga pode ser aplicada aos eventos fi_<ação_rw> e st_<prox_ação_rw> em relação às peças originárias da estação de retrabalho. Suponha que o gerador da figura 2.11 represente a especificação E3a, que coordena o manipulador
robóti-Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 17 co e a estação de furação. Os eventos fi_<ação_ib>, st_<prox_ação_ib>, fi_<ação_rw>, st_<prox_ação_rw> equivalem respectivamente aos eventos fi_grabib, st_drill, fi_grabrw, st_skdrill.
Figura 2.11. Gerador genérico para E3a, E3b, E3c
Alguns eventos devem ser proibidos de ocorrer em determinados estados do gerador. Um exemplo é o evento st_turn, que não deve ser executado nos estados cujo segundo índice numérico é diferente de zero, pois são estados que indicam a existência de peças sobre as quais não foram realizadas as operações esperadas. A figura 2.12 mostra uma seqüência de eventos a partir da qual é possível acompanhar a evolução da especificação E3a. Suponha que a mesa esteja inicialmente vazia.
Quando o manipulador robótico deposita uma peça vinda do buffer de entrada sobre a mesa, figura 2.12 (a), E3a evolui para o estado 10 e o
evento fi_grabib é desabilitado para evitar overflow de peças na posição S1. Neste estado somente é possível ocorrer o evento st_turn. Já no estado 01, fisicamente representado pela figura 2.12 (b), existe a possi-bilidade de iniciar o processo de furação da peça – evento st_drill – ou chegar peça do buffer de entrada – evento fi_grabib – ou da estação de retrabalho – evento fi_grabrw. Suponha que chegue uma peça em S1, figura 2.12 (c). Qualquer que seja a peça posta em S1 implica a
18 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos tação do evento st_turn porque a peça no slot S2 ainda não sofreu a operação de furação.
A especificação E3d, vista na figura 2.13, lida com a coordenação
da estação de teste e do manipulador robótico. Ela segue o mesmo ra-ciocínio adotado para modelar as especificações E3a, E3b e E3c, no
entan-to apresenta mais estados do que estas. Isentan-to acontece porque a estação de teste oferece três possibilidades de respostas – fi_ok, fi_nok1 e fi_nok2 – ao passo que os modelos anteriormente apresentados sinalizam duas possibilidades – fi_<ação_ib> e fi_<ação_rw>. Em E3d, os índices dos
estados passam a representar estas variações de respostas, significando 1, 2 e 3 respectivamente a existência de peça aprovada, rejeitada pela primeira vez e rejeitada pela segunda vez, que aguardam pela execução da operação do manipulador robótico.
Juntas, estas quatro especificações asseguram que não haverá o-verflow de peças no slot S1; a mesa não girará antes de a peça ser fura-da, soldada ou testada; peças remanufaturadas não serão soldadas e fu-radas; não ocorrerá furação, soldagem ou manipulação de peças se não há peça na estação correspondente; não ocorrerá dupla furação,
Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 19 gem ou teste seqüencial na mesma peça.
Não se pode prever quando as peças chegarão às entradas do sis-tema, todavia com as especificações E4a e E4b, ilustradas pela figura
2.14, se estabelece que o manipulador robótico somente deva pegá-las após os sensores de entrada serem ativados. Os sensores podem ser dis-parados a qualquer momento do processo de manufatura, desta forma estes eventos aparecem como um auto-laço no estado 2 de E4a e E4b.
Figura 2.14. Geradores (a) E4a e (b) E4b
2.5.1 Síntese dos supervisores modulares locais da CFM
Conforme foi apresentado na seção 2.2, na abordagem modular local são exploradas as modularidades das especificações e da planta. As plantas locais são obtidas a partir da composição síncrona dos geradores dos subsistemas afetados pelas restrições locais, ou seja, aqueles que compartilham ao menos um evento a especificação.
Tomando como exemplo a construção da planta local Gloc3d,
refe-rente à especificação E3d, tem-se que o alfabeto desta especificação é
definido por ΣE3d={fi_ok, fi_nok1, fi_nok2, st_turn, st_putgood,
st_putbad, st_putdmgd, st_grabib, st_grabrw}. Comparando este alfabe-to com os alfabealfabe-tos dos geradores dos subsistemas da planta, o qual pode ser obtido a partir da tabela 2.1, nota-se que os geradores G3, G4 e
G7 apresentam eventos comuns à especificação E3d. Desta forma, a
plan-ta local é a composição síncrona dos geradores G3, G4 e G7. As plantas
locais para a CFM são vistas na tabela 2.2.
Conforme visto, a especificação local Klocx é definida por Klocx = Glocx || Ex. Aplicando ao exemplo da CFM tem-se que x ∈ X = {1, 2a, 2b, 2c, 2d, 3a, 3b, 3c, 3d, 4a, 4b}. Computando-se os supervisores mo-dulares locais Slocx para a CFM, sendo Slocx = SupC(Klocx, Glocx), foram obtidos 11 supervisores Slocx, para x ∈ X. A tabela 2.3 resume o número
de estados dos geradores envolvidos na síntese dos supervisores modu-lares locais. Sredx representa os supervisores reduzidos equivalentes aos respectivos Slocx. A redução dos supervisores é discutida na próxima seção.
20 Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos Tabela 2.2. Plantas locais para a CFM
Glocx || Gx Gloc1 G4 || G5 || G6 || G7 || G3 Gloc2a G4 || G5 Gloc2b G4 || G6 Gloc2c G4 || G7 Gloc2d G4 || G3 Gloc3a G4 || G5 || G3 Gloc3b G4 || G5 || G6 Gloc3c G4 || G6 || G7 Gloc3d G4 || G7 || G3 Gloc4a G1 || G3 Gloc4b G2 || G3
Tabela 2.3. Número de estados dos geradores da síntese dos supervisores
X Ex Glocx Klocx Slocx Sredx
1 2 324 648 648 2 2a, 2b, 2c 2 6 4 4 2 2d 2 12 7 7 2 3a 9 36 324 252 9 3b, 3c 9 18 162 90 9 3d 16 36 576 288 16 4a, 4b 2 6 12 12 2
Os supervisores foram verificados como não conflitantes após certificar que o gerador S = ||Slocx , para x ∈ X, é trim. O gerador S
apre-senta 19180 estados e, por ser trim, é a solução monolítica para o pro-blema da CFM. Com o teste de não conflito, pode-se afirmar que os supervisores modulares locais atuando em conjunto comportam-se de modo equivalente à solução monolítica. A computação do cálculo de cada supervisor modular local foi realizada na ferramenta TCT (Feng e Wonham, 2006) e levou menos de 1 segundo. Elas foram processadas num computador pessoal AMD Turion™ 64 X2 Dual-Core 1.9 GHz, 2048 MB RAM, Windows Vista® Home Premium 32-bit version.
Teoria de controle supervisório de sistemas a eventos discretos 21 2.6 Redução e implementação de supervisores
Nota-se que alguns dos supervisores da CFM apresentam muitos estados. Pode-se obter a partir dos supervisores locais Slocx, supervisores reduzidos através de algoritmos de redução de supervisores como, por exemplo, o algoritmo de Su e Wonham (2004). A redução dos supervi-sores é de extrema importância para a implementação pois proporciona redução do uso de memória computacional e torna compreensível a interpretação dos supervisores. A redução atingiu supervisores com número de estados idênticos às especificações modeladas. A redução dos supervisores modulares locais também foi feita através da ferramen-ta TCT. O tempo de redução dos supervisores modulares locais da CFM variou entre 1 e 2 segundos, com exceção do pior caso, Sloc1, que levou 13 horas. A redução foi realizada no mesmo computador pessoal citado na seção 2.5.1.
Os supervisores modulares locais sintetizados para a CFM foram implementados no controlador lógico programável (CLP) Altus PO 3147 na linguagem structured text (IEC, 1993), em suas versões reduzi-das, auxiliados por uma ferramenta de geração automática de código (Klinge, 2007). A implementação foi feita através de uma estrutura ge-nérica de implementação (Queiroz e Cury, 2002), que será explicada no capítulo 5. A implementação foi bem sucedida e a CFM operou de modo flexível e sem a ocorrência de deadlocks. Detalhes da implementação podem ser vistos em (Silva e Queiroz, 2009).
2.7 Conclusão do capítulo
Com a abordagem modular local da TCS foi possível sintetizar supervisores ótimos – minimamente restritivos e não bloqueantes – para coordenar a CFM de acordo com os requisitos exigidos. A modelagem das especificações através de geradores permite tratar os problemas de forma modular, tornando simples a alteração ou adição de novas leis de controle. Além de ser versátil, esta técnica de modelagem se estende a diversas classes de problemas. No capítulo 4, a abordagem modular local é aplicada ao problema de coordenação de AGVs.
Capítulo 3
Sistemas de veículos auto-guiados
Os AGVs são veículos que se deslocam de modo autônomo, ge-renciados por um sistema de controle, através de um mapa de percurso pré-definido. Numa planta industrial os AGVs lidam com o transporte de matéria-prima, de pallets, de produtos ainda sendo manufaturados e de produtos finais.
Neste capítulo é apresentada a estrutura de sistemas de AGV e são descritas as principais características dos seus componentes, além de serem levantados alguns dos problemas de controle relacionados ao mesmo. Este capítulo é a base para formulação do problema de controle de AGVs a ser tratado no capítulo 4.
3.1 Estrutura de sistema de AGV
Um sistema de AGV é um sistema de manejo de materiais que u-tiliza veículos autônomos que se deslocam através de trajetos pré-definidos (Groover, 2007). Ele é basicamente estruturado através dos seguintes componentes: veículos, guias de deslocamento, unidade de controle e interface computacional (Cubberly e Bakerjian, 1989).
O sistema executa suas ações sob monitoramento do sistema de controle, o qual é responsável por coordenar o deslocamento dos veícu-los e a interação destes com os demais componentes do ambiente – pon-tos de carregamento e descarregamento, estações de recarga de bateria, etc.
A malha do sistema é integrada através de um mecanismo de co-municação entre os AGVs e o sistema de controle, o que possibilita uma monitoração e supervisão em tempo real do sistema. A supervisão é auxiliada por uma interface gráfica que traduz as informações relevantes que ocorrem durante a evolução do sistema (Mulcahy, 1999).
24 Sistemas de veículos auto-guiados 3.1.1 Veículos
Os AGVs são utilizados como solução para manejo de materiais em diversos campos. Para cada finalidade há uma variação nos modelos de AGVs a serem empregados. Algumas aplicações exigem soluções tão únicas que são necessários AGVs personalizados para a realização des-tas atividades. Estes veículos são construídos considerando o tipo e as dimensões do material a ser manuseado, gerando projetos exclusivos de AGVs. De modo geral, os AGVs são classificados em quatro categorias: reboque (cart towing), carga de unidade (unit load), carga de pallet (pallet load) e cargas leves (miniload ou lightload) (Mulcahy, 1999).
Os rebocadores, figura 3.1 (a), são utilizados quando há grande fluxo de materiais entre pontos distantes do ambiente industrial. Isto é característico nos processos de estocagem, coleta de pedidos e transfe-rência de materiais para uma próxima etapa da manufatura. Este tipo de transporte envolve múltiplas paradas em diferentes locais de entrega e coleta de materiais no decorrer de um ciclo completo do percurso. Para isto, conjuntos de reboques são acoplados ao AGV e o mesmo é despa-chado para o ponto de coleta ou entrega. Normalmente é necessário um operador para desacoplar ou acoplar os reboques no AGV, além de pro-gramar o AGV para o próximo ponto de parada do veículo. Os reboques podem ser carregados ou descarregados por empilhadeiras do tipo auto-guiadas ou não. Existem versões de reboques que possuem mecanismos de descarregamento automático e desta forma é excluído o auxílio das empilhadeiras no descarregamento.
Os veículos de carga de unidade, figura 3.1 (b), transportam as cargas sobre uma plataforma equipada com mecanismos que permitem o carregamento e descarregamento automático dos materiais como, por exemplo, sistemas de rolagem, correias e plataformas de elevação. Estes veículos não são capazes de coletar cargas do chão. Nesta categoria de veículos, incluem-se também os AGVs de linha de montagem, figura 3.1 (c), que percorrem diferentes estações de trabalho nas quais são acresci-dos componentes a unidade transportada e ao alcançar a última estação é obtido um produto final (Groover, 2007).
Sistemas de veículos auto-guiados 25
Figura 3.1. Tipos de AGVs: (a) reboque (JBT, 2009), (b) carga de unidade (ELETTRIC80, 2009), (c) linha de montagem (JBW, 2009)
Os AGVs para carga de pallet, figura 3.2 (a), substituem as tradi-cionais empilhadeiras operadas por humanos. Eles podem interagir com vários elementos do ambiente de manufatura, além de serem capazes de colocar e retirar pallets do chão. Devido ao seu grande potencial de elevação vertical, são bastante utilizados nos processos de estocagem.
O transporte de cargas leves e de tamanhos reduzidos é feito atra-vés dos AGVs para cargas leves, figura 3.2 (b). As configurações exis-tentes para estes veículos variam de acordo com o método utilizado no manejo das cargas, que podem ser do tipo rebocador, plataforma, múlti-plas prateleiras ou carregamento e descarregamento por elevação. Eles são ideais para operações em plantas de tamanhos reduzidos dedicadas à manufatura leve e escritórios.
Figura 3.2. Tipos de AGVs: (a) carga de pallet (ELETTRIC80, 2009), (b) cargas leves (AUTOMOTION, 2009)
3.1.2 Sistema de navegação
Os veículos possuem sistemas de navegação próprios que permi-tem que eles se desloquem a pontos específicos da planta de acordo com as rotinas programadas e as permissões do controlador central. A
nave-26 Sistemas de veículos auto-guiados
gação é auxiliada por marcações em alguns pontos do percurso. Estes pontos indicam ao AGV a sua localização e a partir desta informação o mesmo consegue perceber as tarefas que devam ser cumpridas a partir dali. Como exemplos de ações a serem alertadas pelas marcações têm-se a indicação de pontos de parada, de mudança da velocidade e pontos de decisão de caminhos. São várias as tecnologias empregadas nos sistemas de navegação dos AGVs: condutores elétricos, fita ou pintura magnéti-ca, ótimagnéti-ca, feixe de laser, inercial, etc (Groover, 2007).
A navegação através de guias de condutores elétricos surgiu com os primeiros AGVs e é bastante confiável, apresentando vida útil pro-longada e manutenção mínima ao longo do uso (Mitchell, 1998). Este sistema é formado por um percurso de condutores elétricos embutidos no chão através de uma fenda que são ligados a uma fonte de energia. Os sensores dos AGVs captam o campo magnético irradiado pelas gui-as, o qual servirá de referência para as instruções de controle de direção do veículo. Este tipo de navegação não oferece flexibilidade na mudança das rotas dos AGVs, pois há implicações construtivas na implantação das guias de navegação. Observa-se que a maioria dos novos sistemas de navegação são guiados sem a utilização de condutores elétricos como guias.
AGVs que utilizam a fita ou pintura magnética como método de navegação são equipados com sensores que detectam o pequeno fluxo magnético gerado por estes meios (Mitchell, 1998). O sistema de con-trole de direção dos AGVs, a partir das informações coletadas pelo sen-sor, fará com que o mesmo se desloque de modo centralizado ao percur-so magnético. Essa tecnologia é bastante flexível e capercur-so seja necessário modificar a rota dos AGVs, é possível fazê-lo em pouco tempo e sem alterações construtivas na planta industrial. No entanto, esse método não apresenta alta durabilidade. Os percursos onde existe grande tráfico são bastante danificados com o tempo e solicitam freqüentes reparos. Sujei-ra nas guias magnéticas também pode ocasionar problemas de leituSujei-ra para os sensores. A aplicação deste método de navegação é recomenda-da para escritórios e indústrias leves, onde o percurso é menos provável de sofrer danos.
A navegação ótica é similar à feita por fita magnética, diferenci-ando-se apenas no tipo de sensor utilizado para aquisição de dados. Dos métodos de navegação ótica utilizados pode-se citar: alto contraste entre o chão e a linha, fita de materiais reflexivos, filme químico sensível a luz ultravioleta, etc. (Katevas, 2001). Ambos os métodos baseiam-se na
Sistemas de veículos auto-guiados 27 navegação a partir da diferença de intensidade luminosa entre o chão e o percurso. Esse método é passível dos mesmos problemas mencionados na navegação por fita ou pintura magnética.
O sistema de navegação a laser não necessita de percursos de-marcados sobre o chão. A referência no deslocamento é obtida a partir de um sensor de triangulação a laser (Alavudeen e Venkateshwaran, 2008). O sensor é posto num ponto alto do veículo e emite um feixe de laser que rotaciona 360 graus. Através da reflexão do feixe por alvos reflexivos implantados em pontos estratégicos da planta industrial o controlador, a partir dos ângulos de reflexão, obtém uma posição de referência do veículo. O AGV possui em sua memória um mapa do percurso a seguir e com as informações coletadas pelo sensor o contro-lador mantém o veículo em curso. Quando o AGV não consegue coletar dados suficientes para determinar sua posição, utiliza-se o método de navegação estimada (dead reckoning). Este método determina a posição do AGV tomando como referência a posição anterior conhecida (Groover, 2007). O AGV calcula a sua posição atual considerando a sua velocidade de deslocamento e o percurso de deslocamento, além de recorrer à posição que foi previamente estimada.
Outro meio de navegação que dispensa o uso de guias de deslo-camento é o método inercial (Mitchell, 1998). O AGV se desloca de acordo com um mapa pré-programado do percurso na sua memória. Um giroscópio detecta as mínimas variações no plano de deslocamento do AGV. Através de pontos magnéticos embutidos no chão, o AGV conse-gue informações para fazer as correções necessárias para se manter no percurso.
3.1.3 Controlador
Um sistema de AGV pode apresentar mecanismo de controle cen-tralizado ou descencen-tralizado (Evers e Koppers, 1996). No primeiro caso, o veículo segue estritamente as instruções fornecidas pelo controlador central, excluindo qualquer tipo de tomada decisões no nível dos AGVs. Já o controle descentralizado, fornece certa liberdade aos veículos para processar decisões independentemente como, por exemplo, no cálculo da melhor rota para alcançar o ponto de coleta ou entrega de materiais (Ye, et al., 2000).
